Caso de éxito:
Los accionamientos lineales eléctricos están sustituyendo a los cilindros neumáticos convencionales en cada vez más aplicaciones. Las razones son la escasa eficacia, los elevados costes de puesta en marcha, reconfiguración, servicio y mantenimiento, y la limitada capacidad de control de los sistemas neumáticos. Una reciente comparación de costes totales demuestra que los actuadores lineales eléctricos se amortizan en pocos meses, a los precios de los componentes y la electricidad a día de hoy, incluso para realizar movimientos simples punto a punto con dos posiciones finales. Además, proporcionan una mayor flexibilidad en el diseño de los procesos de producción y los sistemas de control de la producción. Y si esto fuera poco, contribuye a reducir considerablemente la huella de carbono.
Índice
1. Neumática: 2/3 de los costes de funcionamiento se gastan en energía
2. Comparativa de costes de un cilindro neumático y un motor lineal mediante un ejemplo concreto
3. Costes energéticos para la solución del motor lineal
4. Costes energéticos de la solución del cilindro neumático
5. A diferencia del motor lineal, la energía (aire comprimido) debe alimentarse durante todo el movimiento
6. Cálculo del coste total
7. Emisiones de CO₂
8. Más futuro gracias a la innovación y la flexibilidad
9. Resumen
10. Larraioz Elektronika
1. Neumática: 2/3 de los costes de funcionamiento se gastan en energía
Los accionamientos neumáticos se caracterizan por sus menores costes de adquisición, su robustez frente a las influencias externas (por ejemplo, variaciones de temperatura y polvo) y su gran resistencia a las sobrecargas. Además, son fáciles de manejar y no requieren corriente de retención cuando se instalan en orientación vertical. El aire comprimido también se utiliza para tareas de transporte y limpieza en muchos entornos industriales y de taller, por lo que es necesario disponer de sistemas de compresión en cualquier caso. Así que no es de extrañar que la neumática se utilice en una amplia gama de aplicaciones y se encuentre en muchas fábricas.
No obstante, el aire comprimido es uno de los medios energéticos más caros, ya que los compresores solo pueden convertir una pequeña parte de la energía de entrada en potencia útil. La mayor parte se disipa en forma de pérdidas de calor. La tecnología más reciente puede llegar a alcanzar una eficiencia de alrededor del 30%. Es casi imposible aumentar más, puesto que prácticamente se han alcanzado los límites físicos. Asimismo, además de los ya elevados costes del motor, del compresor, de las pérdidas de arranque y de funcionamiento, y de las pérdidas por la manipulación del aire comprimido, en la práctica se producen pérdidas adicionales debido a las fugas de los sistemas de distribución. Por lo tanto, en realidad, tras las pérdidas de conversión adicionales en el actuador (sin optimización) solo se dispone de aproximadamente el 5% de la energía de entrada como potencia útil (Figura, diapositiva 19). De manera que, un diseño óptimo del sistema de tuberías y de los actuadores, un seguimiento rápido de las fugas y sistemas de recuperación de calor, puede aumentar la eficiencia. El Ministerio de Medio Ambiente alemán cifra el potencial de ahorro de energía en un 20-40%, mientras que otros expertos calculan un potencial de ahorro mucho mayor.
Sin embargo, aunque se puedan realizar todos estos ahorros potenciales, los sistemas de aire comprimido siguen utilizando esta energía de entrada de forma muy ineficiente, con una eficiencia global máxima alcanzable del 10%. Esto también puede verse en el cálculo del coste total (TCO, Total Cost of Ownership) de un compresor. Mientras que alrededor del 10% de los costes totales deben destinarse a la adquisición y otro 10% aproximadamente al mantenimiento del sistema, los costes energéticos suelen representar entre el 70 y el 80% de los costes totales a lo largo de la vida útil del compresor.
No es de extrañar, por tanto, que cada vez más empresas intenten, en tiempos de subida de los precios de la energía y de mayor concienciación medioambiental (sobre todo de las emisiones de CO₂), eliminar el aire comprimido de sus fábricas, o al menos reducirlo al mínimo.
« Hoy en día existen, casi sin excepción, alternativas que no utilizan aire comprimido para los accionamientos de aire comprimido »
El motor lineal eléctrico, de uso general con forma tubular, es el sustituto ideal por su eficiencia para los movimientos lineales en muchas aplicaciones. LinMot los ofrece en varios formatos y niveles de potencia.
2. Comparativa de costes de un cilindro neumático y un motor lineal mediante un ejemplo concreto
Es cierto que los accionamientos eléctricos son más caros que los simples cilindros neumáticos, pero un análisis de los costes totales a lo largo de su vida útil muestra que los motores lineales industriales de LinMot, en particular, pueden amortizarse en unos pocos meses o incluso semanas, incluso en simples movimientos punto a punto. El siguiente ejemplo, con una carrera horizontal punto a punto de 400 mm y 15 kg de masa en movimiento, funcionando a 30 ciclos por minuto y un ciclo de trabajo del 50% (= 2.000 ms de tiempo de ciclo), lo deja claro.
3. Costes energéticos para la solución del motor lineal
El tiempo de posicionamiento necesario de 500 ms para esta tarea se consigue con una aceleración de 10 m/s² y una velocidad de desplazamiento de 1 m/s. El tiempo de aceleración, durante el cual el motor lineal realiza un trabajo útil, es de 100 ms. Esto significa, que el consumo efectivo de energía tiene lugar durante solo una quinta parte del tiempo de posicionamiento. Cuando está parado y se desplaza a una velocidad constante, el motor no consume más energía que la necesaria para superar la fricción. La energía cinética que se produce durante el frenado se convierte en energía eléctrica en el motor (por efecto del generador) y se almacena en los condensadores intermedios del servocontrolador, donde puede utilizarse para el siguiente ciclo. Esta aplicación puede llevarse a cabo utilizando un motor lineal LinMot, tamaño P01-48x240F, en combinación con un servocontrolador LinMot, modelo C1100-XC / C1250-XC, con un consumo continuo de energía inferior a 100 W.
EJERCICIO: Suponiendo que en operaciones en tres turnos se realizan 8.000 horas de funcionamiento al año y que el precio de la electricidad para grandes consumidores industriales es de 0,1115 euros/kWh impuestos incluidos (datos del 2021, según EUROSTAT), el coste energético total anual es de 892 €. Una solución neumática sería mucho más cara.
4. Costes energéticos de la solución del cilindro neumático
Si se transporta neumáticamente una masa de carga de 15 kg a una velocidad (máxima) de 1 m/s, como requiere el ejemplo de aplicación, un análisis de las curvas características adecuadas para el diseño de cilindros neumáticos de un fabricante famoso indica que debe utilizarse un cilindro neumático con un diámetro de pistón de 50 mm.
5. A diferencia del motor lineal, la energía (aire comprimido) debe alimentarse durante todo el movimiento
La energía cinética del frenado también debe ser absorbida por los amortiguadores, y no puede almacenarse de forma intermedia para el siguiente movimiento. Según su ficha técnica, el cilindro seleccionado consume 0,02529 dm³ de aire a 6 bares por cada milímetro de recorrido en una carrera doble. Para una carrera de 400 mm, esto supone un consumo de 10,37 dm³ por ciclo. A 30 ciclos por minuto, el cilindro neumático requiere un total de 150.000 Nm³ de aire comprimido al año para un funcionamiento continuo (8.000 h/año). Teniendo en cuenta la caída de presión, la reducción y las pérdidas por fugas del orden del 25%, el compresor debe comprimir y alimentar un total de unos 190.000 Nm³ de aire en la tubería. Un compresor normal (motor de 750 kW, capacidad de aire de 7.500 Nm³/h) puede utilizar 0,130 kWh de energía eléctrica para comprimir 1 Nm³/h a 6 bares, incluyendo las pérdidas de arranque y funcionamiento y la manipulación del aire comprimido. El coste energético total anual es, pues, de unos 3.000 euros (0,12 euros/kWh*0,130 kWh/m³*190.000 m³), es decir, más de 30 veces el del equivalente eléctrico. Con un mayor número de ciclos, esta relación sería aún peor para el cilindro neumático.
6. Cálculo del coste total
Además de los costes energéticos puros, también hay que incluir los costes de inversión y mantenimiento en el cálculo del coste total. Las pruebas han demostrado que, en conjunto, suponen alrededor del 20% de los costes totales de funcionamiento. Por lo tanto, en el ejemplo mostrado aquí, hay que gastar unos 750 euros al año en este concepto, por lo que los costes totales de funcionamiento ascienden a 3.750. Los fabricantes de soluciones neumáticas calculan que los costes totales (tras las medidas de eficiencia energética) son de 0,025 euros por metro cúbico estándar de aire comprimido. Para nuestro ejemplo, esto daría como resultado unos costes de explotación anuales totales de 3.750 euros para la cantidad de 150.000 Nm³ de aire comprimido que necesita un cilindro, lo que corrobora el ejemplo de cálculo anterior.
En cambio, un accionamiento lineal, incluyendo todos los componentes necesarios (cables, inversor, etc.), cuesta más que un accionamiento neumático (incluyendo válvulas, tubos, etc.).
« No obstante, los costes energéticos considerablemente más bajos hacen que el accionamiento eléctrico se amortice en menos de medio año. A partir de ese momento, el ahorro es considerable »
Los costes energéticos de nuestro ejemplo superan los costes de inversión del cilindro neumático después de solo tres semanas.
El análisis de los costes de inversión y energía en este ejemplo de aplicación muestra que el ahorro derivado del uso de un motor lineal industrial, comparado con el uso de un cilindro neumático, es de 2.300 euros y 5.900 euros a los 12 y 24 meses de servicio, respectivamente.
7. Emisiones de CO₂
Las emisiones de CO₂ pueden reducirse drásticamente si se cambia a un accionamiento lineal eléctrico, lo que supone otra gran ventaja. La energía de 24.000 kWh, que requiere adicionalmente el cilindro neumático en este cálculo de muestra, se traduce en una producción anual de 12.000 kg de CO₂.
Así, el registro de CO₂ habla claramente: ¡Un cambio a los accionamientos eléctricos directos!
8. Más futuro gracias a la innovación y la flexibilidad
Además de la menor necesidad de energía, la variante eléctrica tiene la ventaja de tener una mayor flexibilidad en el diseño de las secuencias de producción y los sistemas de supervisión. Las secuencias de movimiento de los accionamientos lineales eléctricos pueden ser mucho más dinámicas y tener una mayor repetibilidad. El perfil de movimiento puede programarse libremente, de modo que incluso las secuencias de movimiento complejas pueden implementarse rápidamente sin problemas. También pueden adaptarse a nuevos requisitos, incluso durante su funcionamiento. Los accionamientos lineales son mucho más silenciosos y duraderos. No son sensibles a los cambios de carga y pueden ponerse en marcha y pararse sin problemas. El análisis de los datos producidos en el convertidor también permite supervisar diversas variables del proceso sin necesidad de sensores adicionales, que también pueden utilizarse para el diagnóstico remoto del sistema. Además, se necesitan menos componentes individuales, que se pueden mantener y sustituir con mucha más facilidad en comparación con los utilizados en la neumática. Esto se traduce en menores costes de instalación, mantenimiento y logística.
9. Resumen
Cuando se necesitan más de dos posiciones, cuando los movimientos deben sincronizarse con un eje maestro, o cuando la dinámica o la vida útil de un cilindro neumático ya no son suficientes, el diseñador ha recurrido con gusto durante años a los accionamientos lineales directos de LinMot. Debido a los elevados costes de funcionamiento de la neumática, el uso de motores lineales industriales resulta cada vez más rentable, incluso en el caso de movimientos simples punto a punto. Esto es especialmente cierto cuando los movimientos se realizan regularmente en operaciones cíclicas, y los cilindros neumáticos deben ser dimensionados generosamente debido a las condiciones de velocidad y carga. En este caso, el accionamiento lineal eléctrico se amortiza en pocas semanas.
10. Larraioz Elektronika
Somo servicio técnico, consultoría, training y canal de ventas oficial de LinMot para el mercado español.
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